基于共轭延迟乘积求和与恒定电压基波振幅差的非线性超声相控阵成像方法用于检测闭合裂纹

《Ultrasonics》：Nonlinear ultrasonic phased-array imaging method for closed cracks based on conjugate delay-multiply-and-sum and fixed-voltage fundamental wave amplitude difference

　　

摘要

传统的线性超声相控阵成像往往受裂纹闭合及传播方向的限制，难以实现对闭合疲劳裂纹的稳定、高对比度成像。为解决某些传统相控阵仪器中因系统非线性导致的奇偶基波幅值差成像中的残余线性伪影问题，本研究提出了一种基于复数值校正因子增强型奇偶基波幅值差的非线性超声相控阵成像方法。该方法结合共轭延迟乘积求和后处理以及传统的矩阵扫描物理聚焦策略，可用于可视化随机方向的闭合疲劳裂纹，并准确判断裂纹尖端位置。研究在五个含有不同传播方向闭合疲劳裂纹的6061铝合金试样上进行了实验，结果表明所提方法能有效补偿不同成像响应之间的幅值和相位差异，显著抑制由系统非线性引起的残余线性伪影。经过共轭延迟乘积求和后处理后，裂纹区域的非线性响应更加集中，从而提升了裂纹尖端定位的精度以及裂纹传播方向的表征能力。该研究为利用传统相控阵设备实现闭合疲劳裂纹的非线性检测提供了实用方法。

引言

对于那些对安全性要求极高的工程构件而言，其结构完整性直接关系到系统的运行可靠性与安全性。疲劳裂纹扩展是导致工程结构失效的主要原因之一，因此，尽早发现并准确表征疲劳裂纹对于确保工程结构的安全使用具有重要意义。传统的超声检测技术，尤其是结合多元素相控阵系统应用的超声检测方法，已被广泛用于工业领域的裂纹检测与表征[1]、[2]、[3]。然而，当裂纹较小时或为闭合状态时，由于声学响应对比度不足，传统的线性超声方法往往无法提供可靠的表征结果[4]、[5]。

近年来，非线性超声技术因其对早期微裂纹及闭合缺陷的高灵敏度而受到越来越多关注[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。当超声波与闭合裂纹相互作用时，裂纹界面不仅会产生常规的反射、折射和散射现象，还会由于裂纹面的局部开合、摩擦及碰撞而引发接触声学非线性效应。这种非线性机制能够产生多种声学响应，包括准静态位移[11]、[12]、高次谐波[13]、次谐波[14]以及波混合成分[15]、[16]。这些非线性特征为裂纹长度及传播方向的定量表征提供了理论依据[17]、[18]。

在此背景下，非线性超声相控阵成像技术应运而生[14]。与传统线性相控阵成像技术[19]、[20]相比，非线性成像技术可以利用缺陷引发的非线性响应来抑制背景线性散射，进而提升闭合裂纹等弱缺陷的对比度[21]、[22]、[23]。在闭合裂纹检测方面，常见的非线性成像方法包括二次谐波生成技术以及基波幅值差技术[24]。二次谐波生成可能源于波传播过程中的材料非线性累积以及局部缺陷的非线性效应[25]；而基波幅值差技术则是基于非线性波与缺陷相互作用产生的能量重分布原理，通过比较不同激励条件下的基频响应来提取非线性信息[26]。

根据幅值调制策略，基波幅值差技术可分为不同电压基波幅值差技术[27]、奇偶基波幅值差技术[28]以及并行序列基波幅值差技术[29]。不同电压基波幅值差技术是通过改变激励电压来获得不同幅值的响应；奇偶基波幅值差技术则是通过调整活性发射元件的空间分布及数量来调节焦点处的幅值；并行序列基波幅值差技术则是从物理聚焦与合成聚焦采集数据之间的能量不对称性中提取非线性信息[24]。尽管基于基波幅值差的技术在闭合裂纹检测方面展现出巨大潜力，但其成像性能对激励方案以及相控阵仪器的系统非线性程度极为敏感。那些输出线性度较高的相控阵系统无需额外补偿即可获得良好的成像效果[26]、[30]、[31]、[32]；但在实际工程应用中，部分相控阵系统可能存在不可忽视的系统非线性问题。对于这类系统，硬件产生的伪非线性成分很容易掩盖由裂纹引发的弱非线性响应，从而降低缺陷识别的选择性及表征精度[24]。虽然已有研究表明，校正因子可部分弥补系统非线性带来的影响，提升成像质量[29]、[33]，但对于那些存在明显硬件非线性的相控阵设备所采用的固定电压奇偶基波幅值差成像技术而言，仍需一种简单、易于理解且高效的校正策略。

为解决这一问题，本研究在奇偶基波幅值差技术框架下，提出了一种基于复数值校正因子的自适应校正策略，旨在利用标准相控阵系统实现对闭合疲劳裂纹的非线性表征。该校正因子是从以线性散射为主的区域中估算得到的，可用于补偿低非线性图像与高非线性图像之间的幅值和相位差异，从而凸显由闭合裂纹引发的真实非线性响应。研究制备了五个含有随机方向闭合疲劳裂纹的6061铝合金试样，通过延迟求和成像算法以及共轭延迟乘积求和成像算法，系统研究了物理聚焦策略、校正因子选择标准以及波束形成方法对成像质量及裂纹尖端定位精度的影响。实验结果表明，所提出的校正策略显著提升了奇偶基波幅值差技术在标准相控阵平台上的应用能力，增强了其对闭合疲劳裂纹的识别能力。进一步结合具有更高空间相干性的共轭延迟乘积求和成像算法，还能更准确地重建裂纹尖端位置及传播方向。该研究为利用存在明显系统非线性的相控阵系统，实现对闭合疲劳裂纹的检测与定量表征提供了一种实用的非线性超声方法。

章节节选

固定电压奇偶基波幅值差成像机制

奇偶基波幅值差技术是固定电压基波幅值差技术的典型实现形式。其基本原理是在保持激励电压不变的前提下，通过调整发射元件的组合来改变焦点处的入射声波幅值，进而从基波响应的幅值变化中提取与闭合裂纹相关的非线性信息。与那些直接检测特定非线性频率成分的方法不同，

试样制备

为评估所提出的基于校正因子增强型的奇偶基波幅值差技术在闭合疲劳裂纹检测中的应用效果，研究人员首先准备了6061铝合金试样。该材料的纵波速度约为6300米/秒。在每个试样中心处先加工出一个长度为12.5毫米、宽度为0.2毫米的预制线性缺口，随后对试样表面进行精细研磨和抛光处理，以满足后续高倍光学观测的表面质量要求

评价指标与延迟求和成像性能

为定量评估所提出的αOE-FAD技术在提取闭合疲劳裂纹非线性特征方面的能力，研究人员从非线性响应增强程度以及裂纹尖端定位精度两个方面对成像结果进行了评估。除非另有说明，4.1节“评价指标与延迟求和成像性能”以及4.2.1节“单焦点共轭延迟乘积求和成像”中所展示的实验成像结果，均是基于第一个焦点处的聚焦实验数据获得的，即（?1.0，

结论

本研究探讨了用于表征具有不同传播方向的毫米级闭合疲劳裂纹的非线性超声相控阵成像技术。研究共制备了五个具有不同裂纹方向的疲劳裂纹试样，并通过方法开发、实验验证以及成像分析等方式对所提出的方法进行了全面评估。主要结论如下。

首先，本研究提出了一种基于校正因子增强型的奇偶基波幅值差技术，该技术可通过有效降低回波响应强度

CRediT作者贡献声明

薛杰：文献撰写——审阅与编辑，文献撰写——初稿撰写，研究指导，方法设计。刘卓旭：文献撰写——审阅与编辑，文献撰写——初稿撰写，方法验证，方法设计，实验研究，概念构建。周静勋：研究指导，资源协调，实验研究。胡宁：研究指导，资源协调，项目管理，实验研究，资金筹措。

利益冲突声明

所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。

Jie Xue|Zhuoxu Liu|Jingxun Zhou|Ning Hu

河北工业大学机械工程学院，中国天津300401